ЛЭП ИЗ КОСМОСА

Вот уже 200 лет история демонстрирует непрерывный экспоненциальный рост нашей цивилизации. Закон экспоненты очень распространен в природе. Описываемые им явления похожи на лавинообразный рост, что-то наподобие взрыва. Да, мы живем в эпоху взрывов: индустриального, демографического, информационного, энергетического… Что касается энергии, то потребление ее каждые 20 лет удваивается. Единственный шанс избежать энергетической катастрофы в будущем — это успеть вовремя перевести стрелку: перевести промышленность на рельсы другой энергетики. Мир настойчиво ищет энергию. В ряде стран приняты законы, обязывающие внедрять новые ее источники.

То, что атомная энергетика к концу столетия станет основным источником энергии, у большинства ученых не вызывает сомнений. Но переход к атомной энергетике породил и немало проблем. Среди них надежность в эксплуатации и захоронение отходов атомных электростанций. При массовом использовании атомной энергии создается угроза радиоактивного заражения нашей планеты. Кроме того, нормативный срок «жизни» современной АЭС — около 30 лет. Нетрудно подсчитать, что к 2000—2010 годам «пенсионного возраста» достигнут две трети атомных электростанций, работающих сегодня в разных странах мира. Демонтаж отработанного реактора — дело сложное, дорогое, длящееся годы.

С точки зрения экологии переход к ядерной энергетике — решение далеко не оптимальное. Мера вынужденная. Цивилизация должна располагать значительными энергетическими резервами, чтобы иметь время для получения информации, которая откроет ей врата новой энергии. Человечеству нужен неисчерпаемый чистый ее источник, не загрязняющий и не перегревающий планету.

Ответ знали еще древние. Это — Солнце, самый изначальный энергоисточник на нашей планете. Меньше чем за час оно посылает на Землю такое количество энергии, которое превышает нынешние годовые потребности планеты. И такая щедрость при том условии, что почти одна двухмиллиардная доля общей энергии Солнца попадает на Землю. Количество солнечного света, которое в межпланетном пространстве приходится на Землю, можно сравнить с трехкопеечной монетой, лежащей где-то на круглом поле диаметром полкилометра.

Еще в самый разгар «атомного бума» один из крупнейших физиков XX века Фредерик Жолио-Кюри прозорливо сказал: «Решение проблемы использования солнечной энергии для человечества важнее, чем покорение энергии атома».

Базируясь только на Земле, солнечной энергетике не выбиться в лидеры. Мешает атмосферный «зонтик» над нашей планетой и суточные вариации солнечного потока. Кроме того, у наземной крупномасштабной гелио-энергетики есть еще один недостаток, с которым в будущем придется считаться. Малая плотность энергии солнечного потока (с одного квадратного метра освещенной Солнцем поверхности в среднем можно «снять» не более 100 ватт). Поэтому под устройства, собирающие солнечную энергию — зеркала-концентраторы и фотоэлементы, — придется отчуждать большие площади. Нужно еще учесть, что наземная солнечная энергетика не всепогодна, а потому необходимы солнечные электростанции-дублеры, разнесенные друг от друга на значительные расстояния. Кроме того, потребности в энергетике непрерывно растут, следовательно, придется увеличивать площадь отчужденных земель, причем в южных районах, которые имеют большие перспективы в области сельскохозяйственного производства. Спрос же на сельскохозяйственную продукцию лавинно нарастает. Так, статистики утверждают, что до начала нового тысячелетия, то есть за двадцать неполных лет, для обеспечения продовольственной стабильности в мире должно быть произведено продовольствия столько же, сколько его было произведено за всю предыдущую историю развития сельского хозяйства на планете.

А между тем совсем рядом, в межпланетном пространстве, бесполезно для человечества пропадает энергия Солнца. Там нет восходов и закатов, нет облаков, нет атмосферы. Интенсивность потока солнечного излучения в космосе в десять раз больше, чем на Земле, а отсутствие гравитации и ветра позволяет строить протяженные многокилометровые конструкции. «Что странного в идее воспользоваться этой энергией?» — писал К. Э. Циолковский.

Есть в околоземном космосе замечательная орбита. Называют ее стационарной или геостационарной. Находится она на расстоянии примерно 36 тысяч километров от Земли. Спутник на этой орбите будет перемещаться с такой же угловой скоростью, с какой вращается наша Земля вокруг своей оси, и потому для земного наблюдателя он будет казаться неподвижным. Свойство это, кстати, очень полезно для целей связи. С помощью трех спутников, размещенных на стационарной орбите, можно, в принципе, организовать глобальную всемирную связь. Советские связные спутники «Радуга», «Экран», «Горизонт» уже несут на ней рабочую вахту. Правда, выводить космические аппараты на такую орбиту непросто. Например, чтобы вывести связной спутник на стационарную орбиту с территории нашей страны, нужна ракета такая же мощная, как для полета к Луне. Поэтому стационарные спутники запускаются ракетой-носителем «Протон», которая используется и для запуска почти двадцатитонных «Салютов».

Для солнечных электростанций, размещенных на стационарной орбите, Солнце будет сиять все 24 часа в сутки на протяжении почти всего года. Исключение составят небольшие периоды времени вблизи моментов весеннего и осеннего равноденствий, когда солнечная электростанция окажется в тени Земли примерно на 72 минуты в сутки. В среднем за год такие затемнения приведут к снижению солнечной энергии, получаемой станцией, всего на один процент. К тому же в районе наземного приемного пункта во время затенения будет полночь, следовательно, и потребность в энергии минимальная.

Если на стационарной орбите разместятся несколько электростанций, они будут тоже затенять друг друга некоторое время. Но оно невелико: около 15 минут в 6 и 18 часов по местному времени. Такие перерывы в получении энергии точно предсказуемы, их можно учесть при распределении нагрузки электросети, что позволит обойтись без создания резервных запасов энергии.

Солнечные электростанции можно размещать и на других орбитах, но геостационарная по уже упоминавшейся причине подходит больше всего. Кроме того, эта орбита довольно емкая: на ней можно поместить множество станций, не опасаясь, что они столкнутся. Например, если на стационарной орбите равномерно расположить 300 станций, то на каждую придется средний объем примерно в миллиард кубических километров. Так что вероятность их столкновения ничтожна. В космических проектах гелиостанций, так же, как и в наземных, конкурируют в основном два типа преобразователей солнечной энергии в электрическую — фотоэлектрические и теплоэлектрические.

Нельзя сказать, что окончательный выбор относительно варианта преобразователя солнечной энергии в электрическую уже сделан. Но все-таки некоторое предпочтение отдается фотоэлектрическому методу: ведь солнечные батареи в космосе надежно зарекомендовали себя. Например, солнечное «сердце» «Салюта-6» снабжало станцию энергией на протяжении всего времени ее существования на орбите (4 года 10 месяцев). Три крыла батареи «Салюта-6», автоматически поворачивающиеся за Солнцем, обеспечивали максимальную мощность энергопитания — 4,5 киловатта. На теневой стороне Земли работала аккумуляторная батарея, которая на свету подзаряжалась от солнечной электростанции.

В отличие от «Салюта-6» для солнечных электростанций на геосинхронной орбите, где Солнце практически никогда не заходит, аккумуляторные батареи не нужны. Какой представляется ученым космическая солнечная электростанция? По одному из проектов, это две прямоугольные решетки длиной шесть и шириной пять километров каждая. Они соединены между собой несущей конструкцией из непроводящего материала. На решетках помещаются зеркала концентраторов (расположенных в форме желоба), а между ними — кремниевые солнечные батареи. Зеркала-концентраторы направляют падающие на них солнечные лучи на кремниевые элементы и тем самым повышают интенсивность солнечного потока. Использование зеркал удешевляет станцию, поскольку они дешевле солнечных элементов. С течением времени под воздействием радиации солнечные батареи деградируют, их коэффициент полезного действия падает. Согласно оценкам, суммарная степень деградации на 30 лет работы составит 20 процентов. Чтобы компенсировать уменьшение мощности, прямоугольные решетки можно наращивать новыми секциями со «свежими» кремниевыми элементами или производить постепенную замену сильно «постаревших» элементов. С такой солнечной «плантации» можно «снять» 8,6 миллиона киловатт мощности. Для сравнения: мощность Братской ГЭС около 4,1 миллиона киловатт.

Но получить в космосе электроэнергию — можно сказать, еще полдела. Вот как передать ее на Землю? Пока не создан материал, пригодный для провода, который можно было бы протянуть на высоту 36 тысяч километров. Если опускать с орбитальной станции самый прочный стальной трос, то он оборвется уже через 48 километров под действием собственного веса. Ученые считают, что лучше всего для передачи электроэнергии с орбиты использовать радиоволны: как в линиях радиосвязи. Только передавать радиоволны будут не информацию, а энергию. Идея передачи энергии с помощью радиоволн сверхвысоких частот разрабатывается довольно бурно. Во многом большой прогресс, достигнутый в этом вопросе за последние годы, объясняется тем, что почти все компоненты для создания такой системы передачи энергии уже имелись в наличии. Их заранее подготовила радиоэлектроника. В настоящее время существуют линии электропередачи с помощью радиоволн, КПД которых превышает 50 процентов. Ожидается, что при использовании более совершенных приборов КПД достигнет 70 процентов.

Как же устроена радиолиния для передачи электроэнергии? Солнечные батареи преобразуют энергию солнечного света в постоянный ток, который подводится к генераторам колебаний сверхвысоких частот, то есть служит для них источником электропитания. Генераторы преобразуют постоянный ток в колебания сверхвысоких частот.

Техника генерирования и усиления колебаний этого диапазона частот хорошо освоена промышленностью и интенсивно развивается и совершенствуется. Например, в США ежегодно производится более миллиона сверхвысокочастотных приборов на общую сумму полмиллиарда долларов. На сегодняшний день известны свыше тысячи типов приборов для генерации радиоволн, мощность каждого из которых превышает несколько киловатт, но пока наиболее подходит амплитрон — прямой «родственник» прибора, с которого, можно сказать, и началось широкое использование радиолокации…

Во время второй мировой войны американская фирма «Белл» не раз помещала на страницах журналов один и тот же рекламный снимок: часовой с винтовкой охраняет ящичек с большими сургучными печатями. Внизу подпись: «Тут хранится самая большая тайна этой войны». В 1946 году фирма опубликовала снимок с содержанием ящичка. В нем лежал магнетрон — прибор, который имел действительно большое военное значение. Без него не могли бы эффективно работать радары тех лет. Однако тайной магнетрона владели не только Англия и США. Его изобрели и впервые использовали в нашей стране. В 1924 году в Харьковском университете под руководством и по предложению профессора Д. А. Рожанского его учениками начались работы, которые привели к созданию магнетрона. Об этих исследованиях и их результатах сообщил журнал Русского физико-технического общества в 1925 году. Впоследствии харьковские ученые создали экспериментальный радиообнаружитель «Зенит», который был первой радиолокационной станцией, определявшей три координаты цели, что очень важно для управления стрельбой зенитной артиллерии. Испытывался «Зенит» в боевых условиях в 1941 году, защищая небо столицы. Своей трехкоординатностью «Зенит» обязан магнетрону. Он генерировал короткие, дециметровые волны, и при сравнительно небольших размерах антенны можно было определять не только азимут, но и высоту цели (а точнее, связанный с нею угол места цели). В других радиолокаторах, созданных в то время в нашей стране и за рубежом, в качестве передатчиков использовались триодные лампы, которые генерировали более длинные — метровые волны. Поэтому локаторы не могли определять третью координату — высоту цели. Слишком велик должен был быть вертикальный размер антенны.

Лишь позднее в английских станциях появились магнетроны. Начавшаяся Великая Отечественная война не позволила быстро наладить серийный выпуск таких сложных систем, какими являются станции орудийной наводки.

Амплитроны, которые предполагают использовать в радиолинии электропередачи космос — Земля, по существу, модернизированные магнетроны. Для амплитрона характерен высокий коэффициент полезного действия (вполне реальны значения около 90 процентов) и малая удельная масса (отношение полной массы прибора к его выходной мощности). Ученые определили, что если воспользоваться для создания передатчика радиолинии комплектом амплитронов с выходной мощностью каждого в пять киловатт, то оптимальная длина рабочей волны линии электропередачи, при которой масса прибора и его стоимость будут минимальны, составит около 12 сантиметров.

Соперничают с амплитронами другие сверхвысокочастотные приборы — клистроны. Хотя их коэффициент полезного действия меньше (70—80 процентов), стоимость и удельная масса больше, однако они более мощные, и потому их понадобится меньше, чем амплитронов, что облегчит сборку передатчика на орбите.

Для того чтобы передать с орбиты и принять на Земле радиоволны — переносчики электроэнергии, — нужны передающая антенна в космосе и приемная на Земле. Как подсчитали ученые, их оптимальные размеры таковы: передающая антенна около одного километра в диаметре, а приемная около десяти километров. При таких размерах стоимость радиолинии будет минимальной, а коэффициент полезного действия максимальным.

Приемная и передающая антенны должны быть точно ориентированы друг относительно друга. Во-первых, для того, чтобы основная часть энергии, передаваемая с орбиты, не пропадала зря (в принципе потери неизбежны из-за так называемых боковых лепестков антенного луча), и, во-вторых, по соображениям безопасности: ведь интенсивный поток сверхвысокочастотного излучения не безвреден для человека.

Хотя электростанция будет находиться на стационарной орбите, ее точка стояния все-таки будет незначительно перемещаться относительно наземного пункта. Это приведет к отклонению луча передающей антенны от требуемого положения. Источники возмущающих движений станции — неоднородность гравитационного поля Земли, возмущающее действие гравитационных полей Луны и Солнца, давление света и, в свою очередь, противоположное давление, вызываемое отдачей сверхвысокочастотного излучения (передатчик радиолинии действует словно реактивный двигатель, только вместо сопла — антенна, а вместо газов — сверхвысокочастотное излучение). Уходы точки стояния придется корректировать с помощью двигателей. Антенные лучи могут сдвигаться и по другим причинам, например, из-за изменений температуры и параметров аппаратуры в процессе эксплуатации… Поэтому должен быть обеспечен постоянный контроль за качеством ориентации и подстройка лучей антенны.

Поскольку размеры наземной антенны довольно велики — десять километров в диаметре, то управлять ею довольно сложно. Лучше подстраивать передающую антенну в космосе: ее площадь в сто раз меньше, а сложность электронного управления лучом антенны в первом приближении пропорциональна ее площади. Ориентиром для подстройки луча передающей антенны будет служить тонкий опорный радиолуч, излучаемый наземной антенной.

Приемную антенну можно выполнить в виде большого числа крошечных антенн диполей. (Пример дипольной антенны — индивидуальная внешняя или внутренняя телевизионная антенна, только размер диполя для наземной антенны в несколько раз меньше, так как для телевидения используются метровые волны, а электроэнергию предполагают передавать в коротковолновой части дециметрового диапазона). Приемная антенна будет не только принимать сверхвысокочастотное излучение, но и преобразовывать его в постоянный ток. (Подобные антенны-преобразователи называются ректеннами.) Для этого каждый диполь снабжен миниатюрным выпрямителем, который преобразует радиоизлучение в постоянный ток. Токи всех диполей складываются и либо подаются в высоковольтную сеть постоянного тока, либо преобразуются в напряжение переменного тока. Специалисты подсчитали, что коэффициент полезного действия радиолинии электропередачи, то есть с выхода солнечных батарей до выхода в наземную высоковольтную сеть постоянного тока, составит 58 процентов, а выходная мощность, отдаваемая потребителям, — пять миллионов киловатт. Есть проекты электростанций и на десять миллионов киловатт. Разнятся они главным образом размерами солнечных батарей.

Поскольку каждый диполь снабжен выпрямителем, то ширина луча приемной десятикилометровой антенны будет такой же, как у отдельного маленького диполика, у которого в довольно широком секторе нет резко выраженного направления приема. Поэтому огромную приемную антенну не надо будет ориентировать на передающую антенну, что значительно упростит ее конструкцию. Приемную антенну можно сконструировать таким образом, чтобы она была прозрачной для света. Тогда расположенную под ней территорию можно использовать для других целей, например, для сельского хозяйства.

Выпрямление электрического тока сопровождается тепловыми потерями: выпрямительные диоды будут нагреваться, а тепло передаваться окружающему воздуху. В тепло перейдет не более 15 процентов передаваемого с орбиты излучения, и нагрев атмосферы не превысит нагрева, обычно наблюдаемого над городами.

Как и на орбитальной станции «Салют», на космической электростанции придется ориентировать на Солнце многокилометровые панели солнечных батарей, чтобы солнечные лучи падали на них отвесно. Для электростанции это наивыгоднейший режим работы. Расчеты, проведенные специалистами, показывают, что солнечные батареи должны быть сориентированы относительно Солнца с точностью до 0,5 градуса, а луч передающей антенны радиолинии передачи электроэнергии относительно наземной приемной антенны — с точностью ± 1 градус. Для управления положением и ориентации такой многокилометровой конструкции надо иметь более тысячи корректирующих двигателей. Они будут работать всего 5—10 дней в году. Так что должны быть предусмотрены рейсы космических танкеров для заправки корректирующих двигателей топливом. Для коррекции можно использовать и электронные двигатели. Тогда энергией их обеспечат солнечные батареи, но восполнять запасы рабочего тела все равно придется. В дальнейшем возможно существенное упрощение конструкции, снижение массы и соответственно стоимости космической электростанции, если удастся сделать такую солнечную батарею, чтобы она преобразовывала энергию Солнца сразу же в сверхвысокочастотное излучение (минуя постоянный ток).

По инженерным оценкам, площадь, непригодная для проживания в районе наземного приемного пункта, не будет превышать 270 квадратных километров (круг с радиусом 9,25 километра), из них около 80 квадратных километров займет наземная антенна, а остальные — буферная зона. То есть приемную антенну можно размещать неподалеку от населенных пунктов, а это означает снижение потерь на транспортировку энергии. Вне буферной зоны уровень облучения будет незначительным, меньше допустимой для человека дозы длительного сверхвысокочастотного воздействия.

Неполадки в системе наведения радиолуча из космоса не должны приводить к превышению норм облучения. Для этого система наведения должна быть исключительно точной и надежной, но если все же случится неисправность, то передатчики космической электростанции должны мгновенно отключиться.

Вопрос воздействия сверхвысокочастотного излучения на живые организмы очень важен, и в нем есть еще немало «белых пятен». В частности, как будет влиять радиоизлучение на птиц, пролетающих зону радиолуча? Есть предварительные сведения, что птицы чувствуют сверхвысокочастотное облучение при плотностях потока свыше 25 милливатт на квадратный сантиметр и стремятся покинуть опасную зону.

Смогут ли самолеты пролетать зону радиолуча? Не будет ли вред пассажирам? Не повлияет ли пролет сквозь радиолуч на работу самолетной электронной аппаратуры?.. Вопросов много. Они неизбежны, когда дело касается крупного нового проекта.

А вот еще один интересный проект, в основе которого заложена передача энергии по радиолучу. Специалисты американского космического ведомства занимаются конструированием самолета, который сможет оставаться в воздухе до трех месяцев без посадки и дозаправки. Беспилотный самолет будет парить на сетчатых крыльях-антеннах размахом шесть метров, совершая полеты по восьмерке на высоте 25 километров над землей для контроля за состоянием атмосферы.

Двигатель самолета мощностью 40 лошадиных сил будет приводиться в действие энергией, доставляемой радиолучом. Фактически самолет сможет оставаться в воздухе до тех пор, пока не случится какая-либо неисправность. По прикидкам инженеров компании «Локхид», которая привлечена к этой работе, самолет можно запустить в начале 90-х годов.

Для передачи энергии предполагается построить антенное поле (величиной с футбольное) с сотней параболических антенн, нацеленных на самолет. Суммарная мощность передатчиков — два миллиона ватт. Самолет уловит луч при помощи приемников, установленных на крыльях, и преобразует радиоволну в электроэнергию. КПД системы — всего четыре процента, но этот недостаток компенсируется большой продолжительностью полета.

Предлагали для передачи электроэнергии с орбиты и лазерный луч. Проект заманчивый. Для лазера не надо таких больших антенн. Кроме того, уже есть экспериментальный лазер с солнечной накачкой, в котором сконцентрированный солнечный свет напрямую превращается в лазерный луч. Но есть у лазерного излучения серьезный недостаток…

Один мой знакомый радиоинженер рассказал мне как-то такую историю. Он участвовал в разработке и испытаниях экспериментальной лазерной телефонной линии связи в Москве. Телефонный узел Г-6 на Зубовской площади (в то время в Москве были еще шестизначные номера) соединили с помощью лазерной линии с университетом на Ленинских горах, где установили антенные устройства для передачи и приема сигналов лазера, передаваемых с Зубовской площади. По вечерам, примерно в одно и то же время, связь ухудшалась. Долго ломали голову. А оказалось все просто. Трасса пролегала над каким-то вечерним учебным заведением. Во время перерыва открывались окна для проветривания аудитории. Потоки теплого воздуха из окон да еще с табачным дымом поднимались на пути луча и ослабляли его. На языке специалистов это явление называется «рассеянием на неоднородностях атмосферы». Так что лазерная система чувствительна к состоянию атмосферы. Облака, разного рода турбулентности поглощают и рассеивают лазерный луч. Коэффициент полезного действия такой линии электропередачи при плохой погоде упал бы до очень низкого уровня. Кроме того, эксплуатация энергетической лазерной линии большой мощности требует повышенной осторожности. Случайное отклонение луча из-за неисправности системы его наведения может создать серьезную угрозу безопасности людей.

Так что радиолуч — наиболее вероятный претендент на роль линии электропередачи из космоса.

Ожидается, что в XXI веке космические электростанции будут удовлетворять 10—20 процентов мировых потребностей в электроэнергии, а для некоторых стран даже на 40—50 процентов. Это станет весомой экологически чистой добавкой к наземной энергетике планеты. Мощные космические электростанции, преобразующие энергию Солнца в электричество, будут в полную меру служить человеку. Не исключено, что XXI век люди назовут веком Солнца!

 

К ЗВЕЗДАМ ПОД РАДИОПАРУСОМ

Герои фантастических произведений давно уже побывали на планетах у чужих солнц и познакомились с их обитателями. Крылья мечты оказались быстрее современных ракет. Да и с планетами в других мирах нет ясности: как показали расчеты специалистов, пока ни одним из существующих методов невозможно достоверно обнаружить планеты даже у соседних звезд. Правда, ученые не теряют оптимизма. Они уверены, что в будущем появятся технические средства, чтобы решить эту задачу. В частности, они связывают свои надежды с выводом в космос больших оптических телескопов.

А как обстоят дела с межзвездными перелетами? Сможем ли мы устремиться в погоню «за светом и пространством»? По прогнозу, сделанному в начале 80-х годов, темпы развития ракетной техники не исключают к 2000 году первых шагов к звездам. На рубеже веков, вероятно, появится возможность запустить космический аппарат, скорость которого относительно Солнца (то есть в момент, когда он покинет Солнечную систему) будет составлять около 100 километров в секунду, то есть почти в 13 раз быстрее искусственного спутника Земли. Однако даже при такой скорости полет до ближайшей звезды займет около 10 тысяч лет.

Для сравнения с сегодняшней реальностью приведем данные по летающей ныне американской станции «Вояджер-2», которая была запущена в августе 1977 года. В августе 1989 года станция достигнет планеты Нептун, которая находится от нас на расстоянии в 10 тысяч раз большем, чем Луна. Ну а ближайшая к Солнцу звезда проксима Центавра еще в 10 тысяч раз дальше: она удалена от нас на 40 триллионов километров или на 4,3 светового года. «Вояджер-2» покинет Солнечную систему со скоростью 58 тысяч километров в час. Чтобы долететь до ближайшей звезды, ему потребуется 80 тысяч лет…

Как превозмочь чудовищную бездну? Различные проекты фотонных ракет, суперкораблей со сменой поколений космонавтов оказываются при ближайшем рассмотрении практически неосуществимыми. И все же в более или менее отдаленном будущем возможно достигнуть звездных далей в приемлемый для жизни одного поколения людей срок. В основе утверждения лежит реальная в принципе идея, правда, в наши дни она еще может показаться фантастической.

Речь идет о межзвездной автоматической станции. И это естественно, ведь в космос, прежде чем стартовал человек, был запущен спутник. Наверняка и к ближайшей нам звезде проксима Центавра первым полетит автоматический корабль. Только устремит его к звезде-соседке не ракета, а парус. Да, забытый парус. Подобно каравеллам Колумба, пустившимся искать Новый Свет, к звездным далям, возможно, отправится космический парусник. Но вот попутный ветер будет для него необычным — радиоволны.

Со школьной скамьи мы знаем о том, что солнечный свет оказывает давление. В учебниках физики описывается выдающийся опыт русского физика А. Н. Лебедева, поставленный в 1899 году: солнечные лучи вращают лопасти вертушки созданного ученым прибора. Эксперимент был неотразим. У современников Лебедева сомнений больше не было: световое давление — не теоретическая иллюзия из уравнений Максвелла, оно действительно существует.

Доказательство существования светового давления послужило в свое время источником многих гипотез, в том числе модной и поныне идеи панспермии. Еще при жизни Лебедева шведский ученый Сванте Аррениус попытался объяснить возникновение жизни на Земле пришествием мельчайших зародышей и спор простейших организмов из других миров. Он доказал, что они могут выталкиваться за пределы планетных систем световым давлением. Расчеты были правильны, свет звезд и солнц действительно мог служить космическим транспортом для мельчайших частиц.

В 1920-х годах К. Э. Циолковский и Ф. А. Цандер высказали идею космического паруса, движимого солнечным светом. Потом эта мысль перекочевала на страницы научно-фантастических книг, а затем и в технические проекты инженеров. По мнению специалистов, уже до конца столетия поднимутся солнечные паруса космической каравеллы.

Но на солнечном ветре к звездам не улетишь. Чем дальше от Солнца, тем слабее его лучи, то есть применение парусников ограничивается пределами Солнечной системы. А нельзя ли создать искусственно мощный источник света и надуть им паруса звездной каравеллы? Такой прибор есть — лазер. Правда, лазер должен быть довольно мощным. В США в настоящее время ведутся работы по созданию лазеров с большой мощностью излучения, но, к сожалению, они предназначаются для «звездных войн». А ведь их энергией можно было наполнить звездные паруса…

Для первого знакомства с миром соседней звезды больше подойдет не луч лазера, а микроволновый радиолуч. Да, радиоволны, как и свет, тоже «давят», ведь они со светом из одной «породы» — электромагнитных излучений. По теории, давление электромагнитных волн пропорционально энергии их кванта, то есть энергии тех элементарных доз излучения, из которых складывается электромагнитный поток.

Так вот, энергия кванта тем больше, чем меньше длина волны, или иначе, чем выше частота колебаний. Даже в самой «мощной» части микроволнового диапазона— у субмиллиметровых волн — энергия кванта в сотни, тысячи раз слабее, чем у кванта света. Но, несмотря на это, именно радиоволны прочат на роль космического ветра для первого звездного парусника.

Дело в том, что для «радиоветра» парус можно сделать «дырявым» — из тонкой сетки, а следовательно, и более легким. Для света же такой парус был бы прозрачным, ему нужен сплошной листовой материал.

Идею использовать микроволновое излучение в качестве движущей силы межзвездного корабля высказал американский физик Фримэн Дайсон. Сфера, названная его именем, — традиционный пример астроинженерной деятельности. В 1984 году Роберт Форвард привнес в идею Дайсона наиболее передовые достижения компьютерной техники. В результате такого объединения родился проект межзвездного аппарата «Старуисп». Он мало похож на сегодняшние космические корабли. Это просто парус, имеющий километр в поперечнике, а весящий всего 20 граммов!

Парус соткан из тончайшей проволоки в виде множества шестиугольных ячеек. В 10 триллионах пересечений ячеек расположены микроэлектронные схемы (маленькие ЭВМ), которые образуют в целом сверхмощную ЭВМ параллельного действия. Кроме того, каждая микросхема чувствительна к свету и может работать как крошечная телекамера.

Ввиду своей хрупкости парусник будет монтироваться в космосе, например, за орбитой Марса. А космический ветер для паруса создает мазер — молекулярный, или, иначе, квантовый, генератор СВЧ-радиоволн. Мазер работает по тому же принципу, что и лазер, только диапазон излучения другой — микроволновый.

Хотя устройство мазера много сложнее, чем лазера, но открыли его раньше. Вплотную подошел к созданию квантовых усилителей-генераторов советский ученый В. А. Фабрикант. Еще в 1940 году он провел теоретические исследования и сделал, правда, неудачные, экспериментальные попытки усилить СВЧ-колебания в парах цезия. Сейчас кажется даже удивительным, что науке пришлось совершить такой зигзаг на пути к оптическому мазеру — лазеру. Его и назвали-то по аналогии с мазером, заменив лишь первую букву «м» (начальная буква английского написания слова «микроволновый») на «л» (начальная буква английского написания слова «свет»).

Интересно, что через десять лет, после того как заработал лабораторный мазер (а его создали независимо в СССР — группа ученых под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова и в США — группа ученых под руководством Ч. Таунса), в галактических туманностях был открыт естественный мазер. Представим, что лабораторный мазер не был бы создан в 1954 году. Все равно он был бы неизбежно открыт позже благодаря радиоастрономическим наблюдениям.

Разместить мазер предполагается на спутнике на околоземной орбите, а энергию дадут ему солнечные батареи, находящиеся тут же, на орбите. Чтобы радиоволны «толкали» парус, мощность излучения мазера должна составлять 20 гигаватт (миллионов киловатт), немного меньше мощности пяти Братских ГЭС.

Радиолуч направляется и фокусируется на космическом парусе специальным устройством в виде линзы Френеля, названной так по имени создателя ее оптического варианта выдающегося французского ученого Жана Френеля. Он опробовал свою систему линз в 1823 году на маяке Кордуан в устье Жиронды, одном из самых древних в мире действующих маяков. Время его рождения уходит в эпоху Карла Великого. Кстати, оптические линзы Френеля применяют до сих пор на многих маяках, а также в маячковых и сигнальных фонарях.

Размер космической линзы огромен — около 50 тысяч километров (четыре земных диаметра!). Состоит линза из чередующегося набора концентрических колец из проволочной сетки и пустых кольцевых зон. Радиусы колец подобраны так, чтобы радиоволны, проходящие через пустые кольца, собирались воедино на парусе «Старуиспа». Помогут и микросхемы, расположенные в узлах пересечения проволочных ячеек паруса. Они будут так управлять электропроводимостью сетчатого полотна, чтобы радиолуч давил на него с максимально возможной силой.

И понесется подгоняемая радиофотонами космическая каравелла. Всего за неделю разгонится она до одной пятой скорости света. Такое стремительное ускорение, в 155 раз превышающее ускорение свободного падения, сообщит ей радиолуч. Через неделю работы мазер выключится.

Через 17 лет аппарат преодолеет три четверти расстояния до проксимы Центавра. Тогда центр управления полетом включит мазер и направит радиолуч на парус. Радиоволны достигнут аппарата примерно через четыре года, и хотя за столь длинное путешествие луч порастеряет свою энергию, ее все-таки будет достаточно, чтобы переключить все 10 триллионов микросхем в режим фотоприемников. Парус превратится в огромный искусственный «глаз», который сможет наблюдать неизвестный мир нашей звездной соседки.

На скорости 60 тысяч километров в секунду «Старуисп» промчится мимо проксимы Центавра всего лишь за 40 часов. За это время он пройдет около девяти миллиардов километров — расстояние, равное диаметру орбиты Нептуна. Каждую секунду в сорокачасовом сеансе будет фиксироваться 25 изображений с высокой разрешающей способностью. С такой же скоростью происходит передача изображений в телевидении.

Затем по командам синхронизирующих сигналов, содержащихся в радиолуче, парус станет работать как антенна, которая направит радиоволны с закодированными в них изображениями на Землю.

Через четыре года после пролета соседней звезды парус будет находиться от нее на расстоянии почти в один световой год. А сигналы от «Старуиспа» только-только достигнут Земли, где ЭВМ превратят импульсы в изображения мира проксимы Центавра. Это произойдет четверть века спустя после запуска радиопаруса.

Если у нашей звездной соседки «Старуисп» обнаружит интересные объекты, то следующим шагом может стать посылка более тяжелой межзвездной автоматической станции, начиненной исследовательской аппаратурой и оснащенной совершенной оптической системой. Ее назвали «Старлайтом». Межзвездный аппарат тоже с парусом, но приводится в движение лучом лазера. Парус его диаметром 3,6 километра предполагается изготовить из алюминиевой пленки толщиной всего 16 миллиардных долей метра. Масса паруса вместе с космическим аппаратом — около тонны. Поддувать парус будет лазер мощностью 65 гигаватт.

Его поместят либо на околоземную орбиту, либо на орбиту поближе к Солнцу. Там энергии побольше, и для «накачки» лазера можно будет использовать непосредственно солнечный свет. Лазерный луч будет фокусироваться на парусе линзой Френеля, помещенной между орбитами Сатурна и Урана. Диаметр линзы — тысяча километров. Лазер сообщит «Старлайту» ускорение 0,04 g. После трех лет непрерывного лазерного поддува межзвездная станция приобретет скорость, равную 11 процентам от скорости света, и удалится от Солнца на 0,17 светового года. В этот момент диаметр ускоряющего луча разойдется до 3,8 километра, и лазер выключится.

Через сорок лет станция достигнет окрестностей проксимы Центавра и начнет исследования. Как мы видим, «Старлайту» потребуется в два раза больше времени, чем его «радиопарусному» собрату, хотя мощность лазера в три раза превышает мощность мазера. Но ведь несоизмеримо различие и в массах самих аппаратов — 20 граммов и одна тонна.

Для полета человека к более далеким звездам, например, к эпсилон Эридана, находящейся на расстоянии 10,8 светового года, предлагается проект еще более тяжелого парусного космического корабля, названного «Суперстарлайтом». Масса его — 75,8 тысячи тонн, а размеры паруса и фокусирующей луч лазера линзы Френеля — 1000 километров.

Звезда эпсилон Эридана — ближайшая к нам звезда «солнечного» типа, и первый звездный маршрут с человеком на борту, вероятно, будет проложен именно к ней. Кстати, на орбите вокруг этой звезды, согласно предварительным данным, полученным канадскими астрономами, находится планета, в два-пять раз тяжелее Юпитера. Чтобы экипаж мог достигнуть звезды и вернуться обратно в течение человеческой жизни, корабль должен лететь со скоростью, сопоставимой со скоростью света.

Группа лазеров, испускающих луч чудовищной силы мощностью 43 тысячи тераватт (тераватт — миллиард киловатт), за 1,6 года разгонит корабль до крейсерской скорости — 150 тысяч километров в секунду — половины скорости света. Чтобы обеспечить постоянное ускорение, мощность лазеров в конце этапа набора крейсерской скорости должна увеличиться чуть ли не вдвое, до 75 тысяч тераватт. Что и говорить, дешево до звезд человеку не добраться. На такой чудовищной скорости начнут сказываться релятивистские эффекты: масса корабля увеличится на 13 процентов, а для звездолетчиков время потечет медленнее.

Примерно за 10,4 года до подлета к звезде лазеры вновь включат. Но теперь энергия светового луча пойдет на торможение. Чтобы остановиться у звезды и прилететь обратно, парус должен быть особым — из трех концентрических сегментов. Внешнее кольцо диаметром 1000 километров предназначено для торможения, промежуточное диаметром 320 километров и внутреннее диаметром 100 километров — для возвращения экипажа. На внутреннем парусе находится и модуль экипажа.

Когда космический парусник подойдет к звезде на расстояние 0,4 светового года, от него отделится внешнее тормозное кольцо и, обгоняя корабль, устремится вперед. Оставшаяся часть паруса повернется так, чтобы его отражающая поверхность была обращена к отделившемуся тормозному парусу. Лазерный луч, отразившись от паруса торможения, ударит в парус корабля.

Звездолетчикам будет казаться, что это с эпсилон Эридана бьет световой поток. Тормозиться корабль до полной остановки будет столько же времени, сколько он разгонялся, — 1,6 года. По земному времени полет продлится 23,2 года, а по бортовому времени звездолета — 20,5 года.

Научные исследования нового для землян мира займут несколько лет. А когда придет время лететь домой, парус вновь уменьшится в размере. От него отделится промежуточная ступень диаметром 320 километров. Она будет сориентирована так, чтобы ее отражающая поверхность была повернута к Солнечной системе. Третий «выстрел» лазера длительностью 1,6 года, отправленный землянами 10,8 года назад, теперь достигнет окрестностей эпсилон Эридана и, направленный промежуточной ступенью, наполнит попутным лазерным ветром стокилометровый парус возвращения. «Суперстарлайт» двинется в обратный путь.

Через 20 лет звездолет приблизится к Солнечной системе со скоростью, равной половине скорости света. Его остановит последняя вспышка лазера. Все путешествие продлится примерно 51 год, а по звездолетному исчислению — 46 лет.

Один из авторов проекта, Р. Форвард, так оценивает его возможности: «Межзвездное путешествие под «световым парусом», ускоряемым лазером, пока еще невозможно. Но оно не противоречит никаким физическим законам и может быть осуществлено. Развитие технологии получения тонких пленок, генерации и передачи энергии с помощью лазеров дает такую уверенность. И этот метод имеет определенные преимущества перед другими планами межзвездных путешествий. «Двигатель» остается «дома», в Солнечной системе, где его относительно легко содержать в рабочем состоянии, ремонтировать или совершенствовать в случае необходимости».

Конечно, есть огромные технические проблемы. Строительство гигантских легких конструкций, разработка систем наведения и сопровождения, использование кольцевого «светового паруса» в качестве фокусирующей линзы и, естественно, создание мазеров и лазеров, которые могут генерировать энергию на уровне нескольких гигаватт и тераватт в течение месяцев и даже лет — все это очень сложные задачи.

Тем не менее «световой парус», направляемый лазером, возможно, явится тем средством, которое однажды сможет доставить нас к звездам и обратно в течение человеческой жизни. Кто знает, может, наши потомки на самом деле взлетят по звездной трассе на «крыльях света».